3D-печать в строительстве: опыт и примеры использования

Построить офисное здание в 2–4 раза быстрее и на 50% дешевле можно с помощью 3D-печати. Это современная технология, которая еще только набирает обороты. Но уже сейчас мы можем встретить частные дома, арт-объекты или элементы высотных зданий, которые напечатал 3D-принтер.

Максим Безруков, генеральный директор Аркон Констракшн поделился своим опытом и прогнозами по 3D-печати в строительстве.

Что такое 3D-печать в строительстве

Строительство — одна из самых консервативных отраслей экономики. Как тысячи лет назад каменщик вручную возводил стены каменной кладкой, так зачастую этот процесс происходит и сегодня.

3D-печать в строительстве — это новая производственная технология, которая основана на послойном нанесении материалов — экструзии. Экструзия — это процесс продавливания сырьевой массы через формующую печатающую головку 3D-принтера с заданным поперечным сечением. Такую технологию принято называть аддитивной.

С 3D-принтерами уже сейчас делают:

• малоэтажные дома (ИЖС);
• коммерческие и промышленные здания;
• элементы зданий для многоэтажного строительства;
• элементы инфраструктуры многоквартирных домов;
• заборы, подпорные стенки, ограждения;
• элементы благоустройства и городские пространства;
• малые архитектурные формы;
• арт-объекты;
• мебель и предметы интерьера.

Аддитивные технологии способны заменить традиционные методы возведения зданий и изменить облик всей индустрии. А также могут сократить стоимость работ, повысить их скорость и качество, минимизировать ручной труд. И самое важное — сделать отрасль гораздо более экологичной: уменьшить отходы и выброс углеродов.

Технология печати

Строительная 3D-печать представляет собой послойное нанесение методом экструдирования специальных бетонных смесей по заложенной 3D-модели.

Процесс подготовки к 3D-печати включает следующие этапы:

1. Архитектор/дизайнер готовит модель.
2. Инженер 3D-печати проверяет модель и при необходимости корректирует.
3. Готовая модель конвертируется в специализированном ПО — слайсере в формат "g-code". Это нужно, чтобы 3D-принтер понял, что ему нужно печатать.
4. Отформатированная модель "нарезается" на слои, загружается в принтер и готова к печати путем экструзии.

Виды принтеров для 3D-печати

3D-принтеры разделяют по двум классификациям.

Первая — по месту применения. 3D-принтеры бывают:

• уличные. Их устанавливают непосредственно на строительной площадке, чтобы возводить малоэтажные здания высотой 1–3 этажа, например, частные дома, магазины, административные корпуса или коммерческие здания, в том числе крупноформатные склады/цеха;
• цеховые. Их размещают стационарно, по сути — это мобильная производственная линия;
• лабораторные. Это версии, адаптированные для обучения и НИОКР.

Вторая классификация — по типу принтера. Бывают:

• портальные. Они дают высокую жесткость конструкции и максимальное качество/производительность на большой области печати;
• роборука или скара. Эти принтеры печатают более сложные изделия и создают комплексные геометрии. Но производительность и область печати у них меньше, чем у портальных.
• мобильные. Принтеры, которые передвигаются по строительной площадке без ручной перестановки, например, на гусеничной платформе.

Строительные материалы для печати

Сегодня для 3D-печати в строительстве используют три типа материалов:

1. Товарный бетон. Его адаптировали для 3D-печати с помощью специальных добавок, что снизило стоимость смеси. Такое снижение затрат на материалы расширит возможности 3D-печати в строительстве, потому что технология станет дешевле.
2. Готовая сухая смесь. Это самый популярный материал. Ее преимущество состоит в простом производстве и высоких потребительских характеристиках: прочности, морозостойкости, долговечности. А недостаток — стоимость значительно превосходит стоимость товарного бетона.
3. Нестандартный бетон. Например, зеленый бетон — это геополимер, где цемент, заменяется на альтернативные компоненты, так называемые промышленные дымы. Этот материал дороже, чем предыдущие, но прочнее и экологичнее, так как позволяет минимизировать углеродный след от строительства. Второй пример — это смеси с пониженным содержанием цемента, где его роль играют органические компоненты: техническая конопля, мискантус, измельченная древесина и подобные. На сегодня в России мало развита технология производства нестандартных бетонов, и для их широкого развития нужны дополнительные разработки.

Этапы работ строительного принтера

Строительство с принтером похоже на обычное. Готовят фундамент, монтируют принтер, загружают в него 3D-модель возводимого объекта и печатают стены здания.

Затем объект армируют, если это заложено в проекте: горизонтально, вертикально или вдоль слоев. И отделывают поверхность любыми традиционными решениями, например, красят, штукатурят и используют другие технологии для отделки монолитных зданий.

Преимущества и недостатки 3D-строительства

Рассмотрим основные преимущества:

• снижение стоимости производства на 10–50%: сокращается ручной труд, эффективнее используются материалы, снижаются накладные расходы;
• строительство идет быстрее в 4–20 раз — зависит от технологии, которую замещают. Процесс стройки становится предсказуемым и прогнозируемым. Уходит вечная проблема просроченных дедлайнов;
• снижается количество брака в процессе строительства и от человеческого фактора, и от некачественных материалов;
• большая свобода дизайна и отсутствие требования к серийности для достижения приемлемых цен. Например, сейчас завод бетонных изделий, может запускать производство скамеек, если планирует продать более тысячи штук. Если количество будет меньше, то подготовка линии и форм для литья сделает производство слишком дорогим, в том числе это отразится на цене для потребителя. Принтер же может напечатать одну скамейку и без существенного удорожания ее стоимости;
• строительство становится экологичнее, а здание — энергоэффективнее за счет применения зеленых бетонов и кратного сокращения строительных отходов.

Разберем текущие проблемы:

• нужно начинать обучать кадры для новой отрасли, строить образование специалистов на системном уровне;
• необходимо заниматься фундаментальными исследованиями в области 3D-печати, чтобы создать полноценную нормативную базу и упростить внедрения технологии;
• недостаточно поставщиков материалов. Нужно, чтобы смеси для печати стали доступны в регионах, это подстегнет развитие отрасли.

Коротко о главном

• Строительный 3D-принтер — это гибкий инструмент нового поколения. Раньше строитель мог взять молоток, потом дрель, а сегодня в его арсенал добавляется 3D-принтер. Сегодня с 3D-печатью создают широкий перечень объектов — от крупных зданий до мебели.
• Чтобы напечатать объект, нужно спроектировать его модель, подготовить фундамент, загрузить в принтер прототип и напечатать.
• Принтеры бывают разные. Уличные печатают прямо на стройплощадке, цеховые — в помещении. Портальные создают прочные конструкции, а скара — более сложные, но менее прочные.
• Принтер может возводить объекты из готовой сухой смеси, товарного бетона, а также из нестандартных бетонов: геополимеров и бетонов с органическими компонентами.
• Развитие технологии может сократить затраты на строительство. Быстрый рост отрасли сдерживают недостаточное количество поставщиков материалов для 3D-печати, отсутствие специализированной нормативной базы и достаточного количества квалифицированных кадров.